不同更新方式杉木林土壤有机碳与土壤呼吸的动态研究

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近年来,由于大气CO2浓度不断升高,碳循环研究成为全球关注的热点,而土壤碳在全球碳循环中起着至关重要的作用。森林是全球碳循环的重要组成部分,是陆地生态系统中最大的碳库。一方面可以吸收和固定大气中的CO2,表现为碳汇;另一方面森林的采伐、经营等营林措施又会使原先已固定的碳通过各种途径释放出来,表现为碳源。更新方式的改变对森林土壤呼吸的影响十分显著,根据生态系统模型估计,土壤呼吸的CO2年通量是工业排放量的10倍,主要是因为干扰之后至少一半的0~20 cm土壤碳处于快速循环库当中。在这种情况下,对0~20 cm土壤碳的研究尤为重要。据估算,森林生态系统土壤碳库为全球土壤碳库的73%,而土壤有机碳较小幅度的变化就可以引起大气CO2浓度的明显改变,从而影响全球气候变化。因此,深入研究不同更新方式下森林土壤有机碳与土壤呼吸的动态变化,对于估算未来局部或全球碳的变化将起到至关重要的作用。杉木作为我国南方主要的商品林,在调整农村产业结构和带动农民致富方面发挥着重要作用。但是近年来,一些不合理的林木更新方式严重影响了亚热带地区的气候格局。目前,国内外对杉木林土壤有机碳研究大都集中在空间尺度上,对其动态变化研究较少,对土壤有机碳与土壤呼吸动态变化量之间的关系尚不清楚。为此,本研究选择杉木主产区福建南平西芹教学林场本底条件较为一致的70年生老龄杉木人工林(皆伐火烧造林)及其17年前部分皆伐后的林地上再造林形成的17年生杉木人工林(皆伐火烧再造林)和未造林萌芽更新形成的17年生天然杉(萌芽)阔混交林(皆伐未火烧)为研究对象,系统研究不同更新方式土壤活性有机碳和土壤呼吸的动态变化,探讨亚热带不同更新方式杉木林土壤有机碳及土壤呼吸的差异,以期为完善杉木人工林的碳汇经营提供科学依据。研究的主要结果如下:(1)老龄杉木林、人工更新林和天然更新林的土壤轻组有机质含量月动态变化均较明显,三种林分土壤轻组有机质含量的最大值出现在1月份或3月份,最小值分别出现在5月、7月和9月份。三种林分土壤轻组有机质含量在8.47 g·kg-1~14.46 g·kg-1,一年中土壤轻组有机质含量的平均值表现为老龄杉木林>天然更新林>人工更新林。与老龄杉木林相比,人工更新林和天然更新林的土壤轻组有机质含量分别下降21.76%和17.10%,且与老龄杉木林的差异达到显著水平(P<0.05);人工更新林和天然更新林的差异未达到显著水平(P>0.05)。(2)三种林分土壤轻组有机碳含量的月动态变化呈现一定的规律,老龄杉木林的最大值和最小值分别出现在3月份和7月份,人工更新林与天然更新林的最大值和最小值分别出现在1月份、3月份和7月份、9月份。一年中老龄杉木林土壤轻组有机碳平均含量分别比人工更新林和天然更新林提高29.01%和28.96%。老龄杉木林经过皆伐、火烧、炼山后形成的人工更新林和部分皆伐未火烧形成的天然更新林,土壤轻组有机碳均有不同程度的下降,其中人工更新林下降的最为明显,并且与老龄杉木林的差异均达到显著水平(P<0.05),人工更新林和天然更新林的差异不显著(P>0.05)。(3)不同林分土壤微生物生物量碳含量的变化具有较为一致的变化趋势,1月与3月,林内土壤微生物生物量碳维持在较高水平,5月份开始下降,7月份达到最低水平,9月份小幅回升,11月达到一个较高值。老龄杉木林、人工更新林和天然更新林的土壤微生物生物量碳含量最大值均出现在3月份,最小值出现在7月份和5月份。老龄杉木林、天然更新林与人工更新林的土壤微生物生物量碳含量的差异达到了显著水平(P<0.05),老龄杉木林与天然更新林的差异不显著(P>0.05)。三种林分土壤微生物生物量碳的平均流通量的大小顺序为天然更新林>老龄杉木林>人工更新林,其中天然更新林的土壤微生物生物量碳的平均流通量分别是老龄杉木林和人工更新林的1.51倍和1.56倍。(4)不同林地各季节间差异较大,各种林分土壤可溶性有机碳含量的季节变化模式也不完全一致。老龄杉木林的模式为1月份>3月份> 11月份> 9月份>5月份>7月份,人工更新林的模式为11月份>3月份>9月份>1月份>7月份>5月份,天然更新林的为1月份>3月份>11月份>9月份>7月份>5月份。天然更新林的土壤可溶性有机碳含量分别比老龄杉木林和人工更新林提高了11.25%和47.90%,且与老龄杉木林的差异达到了显著水平(P<0.05),与人工更新林的差异不显著(P>0.05),老龄杉木林与人工更新林的差异也达到了显著(P<0.05)。(5)三种林分两年的年均土壤呼吸速率在1.66μmol·m-2·s-1~2.95μmol·m-2·s-1之间,其大小顺序为天然更新林>老龄杉木林>人工更新林,与老龄杉木林相比,天然更新林的年均土壤呼吸速率提高了28.38%,而人工更新林的年均土壤呼吸速率降低了20.48%,且天然更新林与人工更新林的差异达到了显著水平(P<0.05)。(6)两年中,三种林分的枯枝落叶层呼吸速率呈现较为一致的变化规律,即在夏季较高,冬季较低,春秋两季介于之间。天然更新林的枯枝落叶层呼吸速率分别是老龄杉木林和人工更新林提高1.34倍和2.19倍,且与人工更新林的差异达到显著水平(P<0.05),与老龄杉木林的差异不大,未达到显著水平(P>0.05)。(7)三种林分无根土壤呼吸速率在两年中均呈单峰型,都是在植物生长旺盛季节维持在较高水平,在植物休眠季节维持在较低水平,最大值出现在6月份或7月份,最小值出现在12月份或1月份。老龄杉木林、人工更新林和天然更新林年平均无根土壤呼吸速率分别为0.97、0.68和0.54μmol·m-2·s-1,其中工更新林与天然更新林无根土壤呼吸速率的差异未达到显著水平外(P>0.05),其它两两之间的差异均达到显著水平(P<0.05)。(8)不同林分的根系呼吸速率在两年中均呈现出较为一致的变化趋势,均在气温、土壤温度和降雨量较大的月份维持在较高水平,在气温、土壤温度和降雨量较低的月份维持在较低水平。老龄杉木林、人工更新林和天然更新林根系呼吸速率的变化幅度分别为0.28~1.91μmol·m-2·s-1、0.29~1.56μmol·m-2·s-1和0.16~4.28μmol·m-2·s-1,其中天然更新林与老龄杉木林和人工更新林的差异达到显著水平(P<0.05),老龄杉木林与人工更新林的差异不显著(P>0.05)。(9)土壤轻组有机碳、土壤微生物生物量碳及土壤可溶性有机碳两两之间的相关性均达到了显著水平(P<0.05),与土壤含水量的关系不显著(P>0.05),与土壤温度和土壤呼吸负相关(P<0.05)。
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